Распространение водорода при повреждениях реакторного пространства

 

При дальнейшем разогреве обезвоженной активной зоны возможно разрушение (разгерметизация реакторного пространства). Вопрос развития аварии на больших временах рассматривался в нашем отчете /14/.

Некоторые результаты из этого отчета приведены ниже.

 

 

 

 

Рис.3.6. Максимальные температуры топлива и графита.

 

 

 

 

а).

 

 

б).

Рис.3.7. Температуры ОР и зон под ней.

 

Тнвк – температура зоны НВК

Тбет – температура поверхности бетонного основания под зоной НВК.

Температура верхней поверхности схемы ОР, обращенной к активной зоне показана на рис.3.7а. Ее величина порядка 1000°С говорит о возможности “проседания” графитовой кладки из-за потери прочности стальных труб (“стаканов”), на которых кладка удерживается, на интервале 200 – 300 час с начала аварии.

Вслед за этим можно ожидать ускоренного прогрева верхней плиты ОР, разрушения ОР, разрушения кожуха и разгерметизации РП. При опускании графитовой кладки возможен также обрыв технологических каналов в местах их крепления в трактах схемы Е. В этом случае открываются пути движения генерируемого водорода в шахту реактора, в помещения ПВК, БС, НВК, в центральный зал.

Т.е. возникает проблема массированного выхода водорода в помещения энергоблока. При этом возможны другие, плохо предсказуемые, изменения конфигурации внутри РП. Тем не менее, генерация водорода остается возможной. Об этом, в частности, “говорит” рис.3.7б, на котором показан рост температур НВК и бетона под реактором. Этот рост вызовет ускорение выпаривания остатков воды в трубах КМПЦ. Его выход в помещения неизбежен, и образование взрывоопасных концентраций возможно.

 

4 Обсуждение результатов

Проведенные расчеты для реакторов 1-й очереди Курской АЭС показали следующее.

1). Генерация водорода начинается через 1.5 – 2 часа с начала аварии, примерно на 0.5 часа раньше, чем на реакторах 2-й очереди. Это объясняется меньшим количеством воды в КМПЦ на реакторах 1-й очереди по отношению к 2-й очереди, а также несколько бóльшей температурой графита на мощности из-за растрескивания графитовых блоков.

2). Скорость генерации водорода вначале со временем растет, достигая значения 36 кг/час, затем, после момента около 700 мин с начала аварии, начинает снижаться и стабилизируется на уровне 6 – 7 кг/час к моменту 20 час с начала аварии. Суммарная генерация водорода за 20 час с начала аварии составляет 300 кг (против 250 кг на реакторах 2-й очереди).

3). Помимо генерации водорода в КМПЦ возможна также его генерация в обезвоженном контуре СУЗ за счет испарения воды в каналах охлаждения отражателя. Количественно эта генерация не изучалась, однако, в соответствии с объемом воды в КОО суммарная генерация водорода также может быть существенной.

4). Образующийся водород при неповрежденном контуре МПЦ будет выходить в конденсаторы турбины, откуда будет выбрасываться в атмосферу над крышей турбинного зала через атмосферные клапаны. Водород, генерируемый в контуре СУЗ, будет удаляться в атмосферу через специальный трубопровод из аварийного бака.

5). В ходе развития аварии неизбежна разгерметизация технологических каналов в активной зоне к моменту 10 час с начала аварии (несмотря на снижение давления из-за высоких температур канальных труб). В этом случае водород будет выходить в РП (где угрозы нет из-за отсутствия кислорода), и из РП по трубам парогазовых сбросов через мокрый газгольдер удаляться в вентиляционную трубу.

6). Вслед за разгерметизацией рабочих каналов возможна разгерметизация каналов СУЗ. Каналы СУЗ заполнены воздухом при атмосферном давлении. При разрыве канала СУЗ гелий – азотная смесь с водородом из РП, находящаяся под давлением 1.3 атм будет вытеснять воздух из контура СУЗ. Водород, генерируемый в активной зоне, через аварийный бак будет выходить в атмосферу.

7). Каких-либо других повреждений контура МПЦ и контура СУЗ в ходе развития аварии за время 1 – 2 суток с начала аварии не происходит. Следовательно, нет и выхода водорода в помещения АЭС.

8). Постулирование разрывов контура МПЦ или СУЗ в результате экстремальных внешних воздействий или предположение, что неплотности существовали в контурах до аварии, приводит к выводу, что выход водорода в помещения, содержащие элементы контура МПЦ или контура СУЗ, возможен. Взрывоопасная концентрация водорода в помещениях при наихудших предположениях (выход всего генерируемого водорода) может быть получена через 5 – 10 часов с начала аварии.

9). Для исключения образования взрывоопасных концентраций водорода в помещениях необходимо восстановление работы системы вентиляции. На это имеется время 2 – 3 часа с начала аварии.

10). Развитие аварии за пределами интервала 1 сут с ее начала показывает, что к моменту около 10 сут с начала аварии происходит разгерметизация РП, что приводит к “массированному” выходу водорода в помещения энергоблока.

 

 

Заключение

Проведенное рассмотрение вопросов генерации водорода в паро-циркониевой реакции (ПЦР) при обезвоживании активной зоны на реакторах 1-й очереди Курской АЭС в результате запроектной аварии с полным обесточиванием энергоблока показало следующее.

Генерация водорода за счет ПЦР начинается через 1.5 – 2 часа после начала аварии. Скорость генерации вначале растет, достигая 30 – 40 кг/час к моменту 11 – 12 час с начала аварии, затем снижается до величины 6 – 7 кг/час и практически стабилизируется на этом уровне на последующие десятки часов. На момент 20 час с начала аварии суммарная генерация водорода составляет 300 кг.

Приведенные величины скорости генерации водорода в ПЦР примерно на порядок превышают скорость генерации водорода в реакторе на мощности за счет радиолиза воды, что свидетельствует о потенциальной взрывоопасности.

При неповрежденном контуре МПЦ водород, генерируемый в ПЦР, будет выходить в конденсаторы турбин и из них в атмосферу через атмосферные клапаны. Угроза образования взрывоопасных концентраций водорода в помещениях АЭС на этом этапе отсутствует.

Развитие аварии даже с учетом снижения давления в контуре неизбежно приводит к разгерметизации канальных труб (включая каналы СУЗ) через время около 10 час с начала аварии. В этом случае водород выходит в герметичное реакторное пространство из него через парогазовые сбросы в вентиляционную трубу, а при поврежденных каналах СУЗ – в аварийный бак СУЗ и из него в атмосферу.

Т.е. угрозы образования взрывоопасной концентрации водорода в помещениях АЭС также пока нет.

Реальная угроза может возникнуть после разгерметизации реакторного пространства, которого (без восстановления охлаждения активной зоны) можно ожидать через 10 сут с начала аварии. В этом случае возможен выход водорода в шахту реактора, в помещения ПВК, БС, НВК, центральный зал. Время образования взрывоопасных концентраций водорода в помещениях в зависимости от размеров помещения может в этом случае варьироваться от часов до нескольких десятков часов после разгерметизации РП.

На начальной стадии аварии при отсутствии повреждений канальных труб выход водорода из КМПЦ возможен через неплотности, существовавшие до аварии, или возникшие одновременно с аварией в результате экстремальных внешних воздействий. Поэтому среди мер по управлению аварией необходимо предусмотреть восстановление вентиляции помещений за интервал времени до 2 – 3 час с начала аварии.

 

 

Литература

1. “Анализ устойчивости энергоблоков второй очереди Курской АЭС
к запроектным авариям в условиях протекания
паро-циркониевой реакции”, Отчет НИЦ “Курчатовский институт”, инв.№33Н-13/05, от 15.10.2013г.

2. Набалдян А.Б., Воеводский В.В. “Механизм окисления и горения водорода”, М., изд-во АН СССР, 1949г.

3. Кабакчи С.А., Будаев М.А., Ковалевич О.М. “Образование водорода в термо-радиационных процессах при гипотетических авариях с потерей теплоносителя на АЭС с реакторами ВВЭР”, Химия высоких энергий, том 22, №4, 1988г, стр.295 – 300.

4. Пазухин Э.М. “Взрыв воздушноводородной смеси как возможная причина разрушения центрального зала 4-го блока Чернобыльской АЭС во время аварии 26 апреля 1986г.”, Радиохимия, т.39, вып.4, 1997г.

5. Установка сжигания гремучей смеси. Инструкция по эксплуатации 579-ТЦ-20/2.

6. Система защиты от превышения давления в реакторном пространстве. Энергоблок №1,2. Инструкция по эксплуатации 81-РЦ-1-2013.

7. Система понижения активности газовых выбросов контура охлаждения СУЗ. Энергоблок №1,2. Инструкция по эксплуатации 491-РЦ-1-2013.

8. Системы вентиляции и отопления главного корпуса 1-й очереди Курской АЭС. Инструкция по эксплуатации, 2010г.

9. “Расчет температурного режима графитовой кладки”, отчет НИЦ “Курчатовский институт”, инв.№211-14/13-43, 2013г.

10. Руководство по управлению запроектными авариями на 4 энергоблоке Курской АЭС, 2РУЗА-07-ПТО-08, 2009г.

11. “Канальный ядерный энергетический реактор РБМК”, изд-во НИКИЭТ, Москва, 2006г., раздел 9.2.

12. Платонов П.А. “О процессе разрушения активной зоны реактора 4-го блока ЧАЭС”, Препринт РНЦ “Курчатовский институт”, ИАЭ-6486/11.

13. Газовый контур. Энергоблок №1,2. Инструкция по эксплуатации. Инв.№1076-РЦ-1-2010. Курская АЭС.

14. “Анализ 3-й фазы аварии в сценарии с полным обесточиванием энергоблока по трехмерной модели”, Отчет НИЦ “Курчатовский институт”, инв.№211-14/13-45, 2013г.

[1] Температурным пределом разгерметизации канальных труб при низком давлении принято считать 850°С. Согласно данным раздела 2.2 разгерметизация рабочих каналов начнется через 7¸8 часов с начала аварии.